W ostatnich latach na środkowym wybrzeżu wykonano duże inwestycje hydrotechniczne w ochronę brzegów morskich. Bu-dowano między innymi progi podwodne, opaski, ostrogi brze-gowe, prowadzono sztuczne zasilanie brzegów oraz posadowio-no posadowio-nowatorskie, jak na warunki południowego Bałtyku, obiekty prefabrykowane, tak zwane elementy sztucznej rafy (dalej w skrócie moduły). Obiekty te miały spełniać trzy funkcje, a mianowicie: sprzyjać rozwojowi organizmów żywych, dyssy-pować energię fal przyboju oraz częściowo zatrzymywać rumo-wisko wynoszone ze strefy brzegowej w głąb morza. Po oko-ło roku od wybudowania część modułów uległa przesunięciu,
część przewróceniu, połamaniu, część z nich została zasypana piaskiem. Celem pracy jest określenie przyczyn częściowego uszkodzenia modułów. Zakres pracy obejmuje analizę koncep-cji projektowej oraz mechanikę ruchu pojedynczego elementu prefabrykowanego pod wpływem działania fal.
Przeprowadzoną analizę podsumowano:
– określając prawdopodobne przyczyny wystąpienia uszkodzeń,
– sugestiami działań jakie inwestor mógłby podjąć w celu usunięcia uszkodzeń,
Dr inż. Piotr Szmytkiewicz1, dr hab. inż. Marek Szmytkiewicz1, dr inż. Jan Schönhofer1, mgr Jakub Malicki1,
dr inż. Tomasz Marcinkowski2, dr Kazimierz Szefler2
1Instytut Budownictwa Wodnego Polskiej Akademii Nauk (IBW PAN) 2Instytut Morski Uniwersytetu Morskiego w Gdyni
Wstępna analiza przyczyn uszkodzenia elementów sztucznych raf (modułów)
posadowionych w strefie brzegowej w okolicy Ustki
– wstępnymi rekomendacjami dla projektowania tego ro-dzaju obiektów posadawianych w strefie brzegowej po-łudniowego Bałtyku.
OBSZAR ANALIZY
Obszar analizy znajduje się na 232,00 ÷ 232,85 KM polskie-go wybrzeża (rys. 1). Jest to odcinek brzegu, który charaktery-zuje się silnymi procesami erozyjnymi. Na rys. 2 przedstawiono zdjęcie tego odcinka brzegu. Na fotografii widoczny jest brak plaży oraz masywna opaska kamienna chroniąca zaplecze brze-gu morskiego przed erozją.
Opis wykonanej inwestycji
W odpowiedzi na obserwowane w tym miejscu procesy ero-zyjne przeprowadzono następujące inwestycje hydrotechniczne: 1. wykonano sztuczne zasilanie plaży piaskiem w ilości
174 tys. m3;
2. dokonano zasypu rynny erozyjnej pomiędzy km 232,50 ÷ 232,80 UM (19 tys. m3)1;
1 Poziom dna w rynnie wahał się w granicach -4,5 ÷ -5,0 m. Projektowany
po-ziom zasypania wynosił -3,1 m.
3. wybudowano cztery segmenty progu podwodnego (na potrzeby niniejszej pracy przez próg rozumie się falo-chron brzegowy o zanurzonej koronie) o długościach 150 i 200 m (przerwy pomiędzy progami 50 m)2;
4. w przerwach między progami oraz w otoczeniu wschod-niej i zachodwschod-niej głowicy skrajnych progów posadowio-no na podsypce kamiennej 396 elementów sztucznej rafy (modułów);
5. wybudowano 8 ostróg prostych (drewniane pale o śred-nicach 30 cm, odstępy do 20% wymiaru średnicy; każda z ostróg ma długość 180 m, a odległość między ostroga-mi wynosi od 100 do 120 m).
O ile wykonane sztuczne zasilanie, zbudowane progi oraz ostrogi są typowymi obiektami ochrony brzegów stosowanymi na polskim wybrzeżu, o tyle moduły zastosowano po raz pierwszy.
Moduły
Na rys. 3 widoczny jest plan rozłożenia modułów w jednej z przerw pomiędzy progami. W tabl. 1 przedstawiono wymiary trzech zastosowanych rodzajów konstrukcji. W tabl. 2 przedsta-wiono ich podstawowe parametry techniczne.
Tabl. 2. Masy, objętości i wymiary zastosowanych modułów
Rodzaj
modułu modułuMasa Objętość modułu zewnętrzna Średnica modułu Wysokość modułu M1 m1 = 5047 kg V1 = 2,40 m3 D1 = 2,44 m hm1 = 1,5 m M2 m2 = 5015 kg V2 = 2,39 m3 D2 = 2,36 m hm2 = 2,0 m M3 m3 = 5250 kg V3 = 2,50 m3 D3 = 2,30 m hm3 = 2,5 m
Zgodnie z projektem moduły posadawiano na podsypce ka-miennej w symetryczny i uporządkowany sposób (rys. 3). Na rys. 4 i w tabl. 3 przedstawiono miejsca posadowienia poszcze-gólnych rodzajów modułów.
2 Progi podwodne wybudowano na odcinku o długości 850 m (232,00 ÷
232,85 KM), oddalone od linii brzegowej o około 200 ÷ 230 m. Głębokość akwenu w tym rejonie wahała się w granicach -2,9 ÷ -3,6 m. Próg zbudowany jest z kamienia łamanego. Rzędna korony progu wynosi około -0,6 m. Szero-kość korony 6 m, szeroSzero-kość podstawy około 23 m, nachylenie skarpy odmor-skiej 1:4, odlądowej 1:2.
Rys. 2. Obszar analizy 232,00 ÷ 232,85 KM, odcinek w sąsiedztwie portu przed wykonaniem inwestycji
Tabl. 1. Trzy rodzaje (M1, M2 i M3) konstrukcji prefabrykowanych elementów sztucznej rafy – tak zwanych modułów
Tabl. 3. Rozmieszczenie modułów siedliskowych w poszczególnych miejscach
Lokalizacja modułówLiczba zastosowanego modułuRodzaj Głowica zachodnia 54 M2 Przerwa pomiędzy progami A i B 96 M2 Przerwa pomiędzy progami B i C 96 M3 Przerwa pomiędzy progami C i D 96 M2
Głowica wschodnia 54 5 modułów typu M344 moduły typu M2 5 modułów typu M1 W sumie 396
WYSTĄPIENIE AWARII
Budowę wszystkich obiektów zakończono w 2016 roku. Na rys. 5 przedstawiono zdjęcia lotnicze wykonane w 2016 i 2018 roku. Na zdjęciach wyraźnie widoczne są zniszczenia poszcze-gólnych modułów.
Główne wnioski wynikające z podwodnych inspekcji po pierwszym i drugim roku funkcjonowania budowli są następu-jące:
– głowica A, elementy typu M2 – elementy poprzechylane, pozapadane i poprzesuwane w kierunku lądu poza obszar podsypki kamiennej, część z nich przysypana piaszczy-stym rumowiskiem do 95% swojej wysokości, po dwóch latach oszacowano uszkodzenia około 6% elementów, – przerwa między segmentami A i B, elementy typu M2
– elementy poprzesuwane w kierunku lądu na odległość rzędu 1 ÷ 3 m, częściowo zasypane rumowiskiem, po dwóch latach nie stwierdzono uszkodzenia elementów,
Rys. 3. Plan rozłożenia modułów w jednej z przerw pomiędzy progami
– przerwa między segmentami B i C, elementy typu M3 – część elementów (83 sztuki) po jednym roku została zniszczona, pozostałe poprzesuwane, poprzechylane lub przewrócone, częściowo przysypane piaskiem, po dwóch latach 70 elementów nie odnaleziono; po dwóch latach od budowy 82% modułów zniszczonych,
– przerwa między segmentami C i D, elementy typu M2 – część elementów poprzesuwanych o około 2 ÷ 3 m w różnych kierunkach, część przechylona i częściowo przysypana piaskiem, po dwóch latach nie odnaleziono 14 elementów; zniszczeniu uległo 15% modułów, – głowica D, elementy typu M3 (I i II rząd), M2 (od III do
X rzędu), M1 (XI i XII rząd) – po stronie odmorskiej po pierwszym roku 12 elementów zniszczonych, po dwóch latach większość elementów w pierwszych dwóch rzę-dach zniszczona, po stronie odlądowej większość ele-mentów poprzesuwana, poprzechylana, częściowo zasy-pana piaskiem, a kilka zniszczonych; po dwóch latach 39% modułów zniszczonych.
Podsumowując:
– zniszczeniu uległy głównie elementy usytuowane od strony odmorskiej, to jest bezpośrednio narażone na ude-rzenia załamujących się fal,
– awarii uległy elementy typu M3, to jest najwyższe na ko-ronach, których w pierwszej kolejności załamywały się fale sztormowe,
– większość postawionych elementów uległa przesunięciu, częściowo zostały zasypane piaskiem.
ANALIZA PRZYCZYN AWARII
Wśród przyczyn częściowego zniszczenia elementów prefa-brykowanych wyróżnić można te, które wynikają z przyjętych założeń koncepcyjnych funkcjonowania obiektów w środowi-sku morskim południowego Bałtyku oraz te związane z przy-jętymi w projekcie budowlanym szczegółowymi rozwiązania-mi ich posadowienia. Poniżej pokrótce omówiono obie grupy przyczyn.
Porównanie elementów sztucznej rafy stosowanych w świecie i przyjętych w Ustce
Konstrukcje typu modułów stosuje się na świecie od lat dzie-więćdziesiątych XX w. Ze względu na swoją budowę (chropo-watą powierzchnię, losowo zlokalizowane otwory) konstrukcje sprzyjają porastaniu i zagnieżdżaniu się wewnątrz organizmów żywych. Przeprowadzone z początkiem XXI wieku obserwa-cje terenowe skuteczności stosowania modułów siedliskowych w ochronie brzegu morskiego zaowocowały opracowaniem technologii budowy przypominających progi podwodne zesta-wów ażurowych modułów [1]. Z inżynierskiego punktu
nia największą zaletą modułów siedliskowych jest łatwość ich posadowienia oraz relatywnie niski koszt budowy.
Na rys. 6 przedstawiono konstrukcje stosowane w świecie i te zastosowane w Polsce.
Podsumowując, przy opracowywaniu koncepcji zastosowa-nia modułów w Ustce przyjęto:
– nieodpowiednio dobrany kształt elementu sztucznej rafy – kształt walcowy ma zbyt wysoko położony środek ciężkości;
– posadowienie prefabrykatów w przerwach pomiędzy progami – w obszarze występowania największych pręd-kości przepływów wody – tak zwanych prądów rozry-wających;
– nieodpowiednie miejsce posadowienia i wysokość pre-fabrykatów (porównywalna z wysokością progów pod-wodnych) wymuszająca załamywanie się fal;
– posadowienie prefabrykatów na podsypce kamiennej – uniemożliwienie samoistnego zagłębiania się konstruk-cji w dnie, co jest efektem pożądanym dla tego rodzaju konstrukcji;
– zbyt ciasne ułożenie elementów sztucznej rafy względem siebie – wzrost wartości momentów wywracających i sił przesuwających o co najmniej 30%.
Obliczenia momentów utrzymujących, wywracających i przesuwających
Dynamika ruchu wody wokół modułów siedliskowych nie jest w literaturze fachowej dostatecznie rozpoznana. Obiek-tem, którego kształt jest najbardziej zbliżony do prefabryko-wanych elementów sztucznej rafy jest konstrukcja cylindrycz-na. W przypadku konstrukcji cylindrycznych, jeżeli stosunek średnicy konstrukcji cylindrycznej D do długości fali L spełnia warunek (D / L ≤ 0,2) [3], wówczas siły i momenty działające na konstrukcje cylindryczne można obliczać z wzoru Morisona. Równanie to w formie ogólnej ma postać:
(1) gdzie: FM (t, z) – siła bezwładności [N/m], FD (t, z) – siła naporu [N/m]. (2a) (2b) gdzie: r – gęstość wody [kg/m3],
CM – współczynnik inercyjny bezwładności [b.j.], CD – współczynnik naporu [b.j.],
D – średnica walca [m],
u(t, z) – prędkość orbitalna cząsteczki wody w ruchu falowym [m/s], uʹ(t, z) – przyspieszenie cząsteczki wody w ruchu orbitalnym[m/s2].
Prędkości i przyspieszenia cząsteczek wody w ruchu falo-wym wyznacza się z teorii liniowej.
Wypadkowa siła pozioma działająca na element
(3)
gdzie:
zk – rzędna korony elementu [m], h – głębokość [m].
Obliczenia zmienności siły FM i FD w czasie przejścia fali
nad modułem wyznaczono dla kątów faz fali od 0° do 360° z krokiem co 1°.
Celem określenia możliwości przesunięcia elementu wzglę-dem podłoża obliczono wielkość siły utrzymującej Fu:
(4)
gdzie:
G – ciężar prefabrykatu [N], W – siła wyporu [N],
f – współczynnik tarcia między podstawą modułu a podłożem [b.j.].
Jeżeli Fc(t) > Fu, to element ulegnie przesunięciu.
Wypadkowy moment siły poziomej działającej na element prefabrykowany
W celu określenia możliwości wywrócenia prefabryka-tu (elemenprefabryka-tu szprefabryka-tucznej rafy) w trakcie przejścia fali obliczono wartości momentu wywracającego i utrzymującego względem poziomu dna:
moment wywracający
(5)
Rys. 6. Moduły stosowane na świecie (a) i moduły zastosowane w Polsce (b)
Jeżeli odległość pomiędzy środkami elementów jest mniej-sza od (l < 3·D), to obciążenie działające na przegrodę jest więk-sze niż na pojedynczy element. Ten wzrost obciążeń w sposób przybliżony wyznaczono z zależności [2]:
(6a) (6b)
gdzie:
Kpl – współczynnik poprawkowy (wyznaczony z [3]). moment utrzymujący
(7)
Założone wartości obliczeniowe
W tabl. 4 przedstawiono przyjęte w obliczeniach wartości liczbowe poszczególnych parametrów.
WYNIKI OBLICZEŃ
Na rys. 7 ÷ 12 przedstawiono wyniki obliczeń momentów wywracających oraz sił utrzymujących i przesuwających.
Wnioski z przeprowadzonych obliczeń stateczności prefa-brykowanych elementów stanowiących sztuczną rafę są nastę-pujące:
Tabl. 4. Wartości liczbowe przyjęte w obliczeniach
Rodzaj
modułu elementuŚrednica
D [m]
Głębokość wody dla poziomu 500 cm h [m] Poziom wody o TR = 20 lat [cm] Wysokość elementu hm [m] Wysokość fali Hs [m] Okres fali Tp [s] Ciężar elementu G [N] Siła wyporu W [N] Współczynnik poprawkowy Kpl M1 2,44 2,4 648 1,5 2,28 8,9 49511 23544 1,3 M2 2,36 2,63,0 3,3 648 2,0 2,30 2,38 2,40 8,9 8,9 8,9 49197 23425 1,3 M3 2,30 3,43,7 648 2,5 2,422,44 8,98,9 51503 24525 1,3
Rys. 7. Obliczone wartości momentów utrzymujących i wywracających dla elementu typu M1 podczas przejścia fali o parametrach Hs = 2,28 m, Tp = 8,9 s, poziom wody 648 cm
Rys. 8. Obliczone wartości momentów utrzymujących i wywracających dla elementu typu M2 podczas przejścia fali o parametrach Hs1 = 2,30 m, Hs2 = 2,38 m, Hs3 = 2,40 m, Tp = 8,9 s, poziom wody 648 cm
Rys. 9. Obliczone wartości momentów utrzymujących i wywracających dla elementu typu M3 podczas przejścia fali o parametrach Hs1 = 2,42 m, Hs2 = 2,44 m, Tp = 8,9 s, poziom wody 648 cm
Rys. 10. Obliczone wartości sił utrzymujących i przesuwających dla elementu typu M1 podczas przejścia fali o następujących parametrach: Hs = 2,28 m, Tp = 8,9 s i poziomie wody 648 cm
Rys. 11. Obliczone wartości sił utrzymujących i przesuwających dla elementu typu M2
– w przypadku prefabrykatów typu M1 i M2 momenty utrzymujące są większe od momentów wywracających dla pełnego okresu przejścia fali nad elementami, – w przypadku prefabrykatów typu M3 w momencie
przej-ścia nad nimi maksymalnego wzniesienia (grzbietu fali) i maksymalnego obniżenia (doliny fali) chwilowe warto-ści momentów wywracających są porównywalne z mo-mentami utrzymującymi,
– w przypadku wszystkich rodzajów elementów sztucz-nej rafy wielkości sił utrzymujących są zdecydowanie mniejsze od sił przesuwających w momencie przecho-dzenia nad nimi grzbietu bądź doliny fali.
W przeprowadzonych obliczeniach przyjęto wartość współ-czynnika tarcia między prefabrykowanymi elementami sztucz-nej rafy a podłożem równy f = 0,25. Wartość tego współczynnika zaczerpnięto z literatury przedmiotu [2]. W kolejnych etapach analizy wartość tego współczynnika należałoby określić na pod-stawie szczegółowych badań laboratoryjnych i terenowych. Nie-mniej jednak, w opinii autorów, na potrzeby niniejszej analizy wartość f w przybliżeniu równą 0,25 można przyjąć jako wartość w przybliżeniu odpowiadającą rzeczywistości. Otrzymane wy-niki obliczeń są w dużej mierze zgodne z obserwacjami w natu-rze. Z raportów nurków wynika bowiem, że zdecydowane więk-sza liczba prefabrykatów została przesunięta, a nie przewrócona.
Należy także zwrócić uwagę na znaczną losowość oddziały-wań falowania na moduły. Niezależnie od miejsca ich ustawienia (głowice, przerwy między segmentami) trudno jest a priori odpo-wiedzieć na pytanie, które z nich ulegną przesunięciu, przechyle-niu, zasypaprzechyle-niu, przewróceniu lub całkowitemu zniszczeniu?
PODSUMOWANIE DOTYCZĄCE PRZYCZYN AWARII
Zasadniczą przyczyną awarii prefabrykowanych elementów sztucznej rafy było:
– nieodpowiednio dobrany kształt elementu, w którym z zasady środek ciężkości położony jest zbyt wysoko, – posadowienie prefabrykatów na podsypce kamiennej
(uniemożliwienie samoistnego zagłębiania się konstruk-cji w dnie) i wprowadzenie dodatkowego „mechanizmu” ułatwiającego przesunięcie się elementu w planie, – zbyt duża wysokość elementów, porównywalna z
wyso-kościami kamiennych progów, co w efekcie skutkowa-ło wymuszeniem załamywania się fal na ich koronach (przy projektowaniu ochrony brzegu w postaci progów podwodnych zakłada się, że to obecność progów ma wy-musić załamanie fal w trakcie przejścia nad nimi, stąd budowa ich z reguły w postaci kamiennych, wzajemnie zazębionych bloków),
– uniemożliwienie, poprzez posadowienie dużej liczby ele-mentów sztucznej rafy w segmencie siedliskowym, swo-bodnego odpływu mas wody nagromadzonych blisko brzegu; przerwy pomiędzy poszczególnymi segmentami progów kamiennych powinny być całkowicie otwarte; tymi przerwami odprowadzana jest w postaci prądu roz-rywającego spiętrzona przy brzegu woda,
– przy odpowiednio niskich wysokościach elementów praw-dopodobieństwo ich uszkodzenia, przesunięcia lub nawet całkowitego zniszczenie byłoby zdecydowanie mniejsze.
Rys. 12. Obliczone wartości sił utrzymujących i przesuwających dla elementu typu M3
REKOMENDACJE DALSZEGO POSTĘPOWANIA
Rozpatrując zastosowany system ochrony jako całość (to znaczy: sztuczne zasilanie, progi podwodne, ostrogi, moduły), należy stwierdzić, że od momentu wybudowania konstrukcje spełniają swoją nadrzędną rolę, to znaczy: brzeg morski jest chroniony przed erozją, a nawet lokalnie; w latach 2014-2017 doszło do dodatkowej akumulacji osadów (rys. 13).
W opinii autorów brak elementów prefabrykowanych, ich przesunięcie lub zniszczenie nie powoduje pogorszenia się funkcjonowania podstawowego systemu ochrony brzegu mor-skiego, jakim jest próg – sztuczne zasilanie – ostrogi. Umiesz-czenie elementów prefabrykowanych w przerwach pomiędzy progami spowodowało utrudnienie odpływu wody tymi prze-rwami ze strefy brzegowej, a to z kolei mogło przyczyniać się do wzmożenia i wzmocnienia nietypowych i gwałtownych w swo-im przebiegu prądów rozrywających, które w sposób niekontro-lowany mogły powodować przegłębiania się dna w sąsiedztwie poszczególnych progów. Z punktu widzenia bezpieczeństwa „pracy” progu (zapobieżeniu/ utrudnieniu powstawania wybo-jów i przegłębień) zasadne byłoby nie posadawiać nowych mo-dułów w miejsce tych zniszczonych.
Należy również podkreślić, że uszkodzone lub przemieszczo-ne pozostawioprzemieszczo-ne na dnie elementy sztuczprzemieszczo-nej rafy mogą w dal-szym ciągu przeciwdziałać wynoszeniu rumowiska ze strefy brzegowej. Zatem rola polegająca na przeciwdziałaniu wynosze-nia rumowiska pozostaje spełniona. Należy natomiast przypusz-czać, że w ciągu kolejnych lat w warunkach silnych sztormów, kiedy pierwsze odmorskie załamanie fali będzie miało miejsce nad koronami modułów, część z nich nadal będzie ulegać awarii.
Można również przypuszczać, że funkcjonalność “ekolo-giczna” modułów po awarii nie została zmieniona.
Przewróco-ne, przesunięte, a nawet połamane moduły są nadal użyteczne dla morskiej flory i fauny (roślinność i organizmy żywe tak samo funkcjonują w uszkodzonym module).
W związku z powyższym IBW PAN nie rekomenduje po-sadawiania nowych prefabrykowanych elementów sztucznej rafy w miejsce zniszczonych. Istniejący system: próg
podwod-ny – sztuczne zasilanie – ostrogi – częściowo uszkodzopodwod-ny układ modułów siedliskowych spełnia swą podstawowa rolę, jaką jest
ochrona brzegu morskiego.
W sytuacji, gdy z powodów innych niż ochrona brzegów konieczne byłoby uzupełnienie istniejącego systemu modułów o nowe obiekty prefabrykowane, zaleca się przede wszystkim:
– nie stosować obiektów wyższych niż 1,5 m, – zwiększyć masę elementów,
– obniżyć środek ciężkości elementu (na przykład powięk-szenie podstawy obiektu, zwiękpowięk-szenie masy u podstawy, zmniejszenie masy korony konstrukcji),
– rozproszyć obiekty w przestrzeni – to znaczy odsunąć prefabrykaty od siebie na odległość rzędu od dwóch do czterech promieni elementu.
LITERATURA
1. Baine M.: Artificial reefs: a review of their design, application, mana-gement and performance. Ocean & Coastal Manamana-gement 44 (2001) 241-299.
2. Coastal Engineering Manual. USACE Publications (2002), EM 1110-2-1100
3. Massel S. (red.): Poradnik hydrotechnika. Gdańsk: Wydawnictwo Mor-skie (1992) 340.
